（电气工程专业论文）均匀传输线传播特性的实验研究.pdf

英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h en e e do ft e c h n i q u ef o rm o d e me l e c t r o n ，c o m m u n i c a t i o na n de l e c t r i c ， p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot r a n s m i s s i o nl i n e s i ti sd i f f i c u l tb u ts i g n i f i c a t i v e t os t u d yo nt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s m i s s i o nl i n e sb yt e s t i ti sp o s s i b l et o s t u d yt h et r a n s m i s s i o nl i n e sb yt e s tm e a n ss i n c et h ed i g i t a lo s c i l l o g r a p ha n dh i g l l s p e e d i n t e g r a t e dd e v i c e sh a v ec o m ef o n l l p e o p l ew i l lo b s e r v es o m ep h e n o m e n ab yt e s tm e a l l s t h a tc a n n o tb eo b s e r v e db ys i m u l a t i o n t h es t u d yw i l lg i v es o m er e f e r e n c e st or e s e a r c h o ne h vt r a n s m i s s i o nl i n ef a u l tl o c a t o r t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dd e s i g n sa n ds c h e m e sf o rs t u d yo nt r a n s m i s s i o nl i n e s ， r e l a y i n go ne l e c t r o n , c o m p u t e ra n dc p l dt e c h n i q u e s f i r s t l y , at e s t d e v i c eo n m e a s u r i n gd e l a yo fr e f l e c t e dw a v ei si n t r o d u c e d ，w h i c hi sc o m p o s e do fm a x 9 6 8 6 a n d e p m 7 1 2 8 s l c 一1 5a n dt h e i rc o r r e s p o n d i n ga s s i s t a n tc i r c u i t s t h i sd e v i c ei sb a s e do i l t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft r a v e l i n g - w a v e ，a n dt h eu n i f o r mt r a n s m i s s i o nl i n ei st h e c a b l eo f t e l e p h o n e s e c o n d l y , ah i g l l - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nc p l di sp r o v i d e df o r s a m p l i n gt h et r a n s i e n tt r a v e l i n g - w a v e t h ep r i m a r yf u n c t i o no fc p l dw a se s p e c i a l l y d i s c u s s e d ，i n c l u d i n gh i g h - s p e e da d d r e s s i n g a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yb e t w e e na d c o n v e r t e ra n df a s ts t o r a g e s ot h a th i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o nw a sr e a l i z e di nt h i s s y s t e m a tl a s t ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h ei m p o r t a n tp r a c t i c a l i t yo ft h es t u d ya n dg i v e ss o m e a d v i c eo nu p d a t i n gt h es y s t e mi nf u t u r e i ti sm a d ec l e a rb yt h et a s kt h a ts t u d y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s m i s s i o nl i n e sb y t e s tm e a n si sf e a s i b l e t h es c h e m e so fd a t aa c q u i s i t i o na n dd a t ap r o c e s s i n gw i l lg i v e s o m er e f e r e n c et oo t h e rc o n t r o ls y s t e m w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g y o fe l e c t r o na n dc o m p u t e r , t h et h e o r ya b o u tt r a n s m i s s i o nl i n ew i l lb em o r ea n dm o r e p r e f e c tu n d e rt h es t u d yo f s c h o l a r si nt h ew o r l d k e y w o r d ：t r a n s m i s s i o nl i n e s ，t r a v e l i n g w a v e ，d a t a a c q u i s i t i o n ，c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ，a d i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：石裘签字日期：铲年岁月一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重迭太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在一= l - 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ) 学位论文作者签名： 签字日期：伊f 年 导师签名：刮害行 签字醐触悔夕月夕日 重庆大学硕士论文 1 引言 1 引言 随着通信、电子和半导体等技术的飞速发展，传输线的研究已不再仅仅是电 气工程师关心的问题，而是一个跨学科的课题。本文研究的主要对象是有损均匀 传输线，通过设计实验装置来研究传输线上波的传播特性。 1 1 传输线概述 在集总参数电路模型中，常用若干个理想的集总电路元件电阻、电感、电容 等作电路实物的电路模型【l 】。然而，任何实际的电路的参数都是分布着的。用集总 的电路元件构成实际电路的模型时，总需要忽略某些次要的因素。电磁场理论的 研究表明：当电路的线度( 即尺寸太小) 远小于电路工作频率f 下的电磁波入= c f ( c 为真空中的光速) 时，用集总参数电路就可以构成实际电路的足够准确的模型： 当组成实际电路的部件和联接导线的最大线性尺寸( l ) 可以和沿电路周围空间传 播的电磁波的波长相比较时，则必须考虑电路参数的分布性。 电力工程中的高压远距离输电线，其工作频率虽然很低( 5 0 h z ) ，即与其相应 的电磁波的波长很长( 6 0 0 0 k m ) ，但因输电线路的距离很远( 2 0 0 k m 以上) ，并且采 用的电压很高( 3 5 k v 以上) ，沿线的分布电感、线间的分布电容和线间的泄漏电流 等方面的影响均必须考虑，所以这样的电力传输线必须作为分别参数来研究比1 。 在微波集成电路和高速数字集成电路中，随着工艺的发展，集成电路中脉冲 信号的宽度越来越窄，时钟频率越来越高，对应的频谱分量已进入微波甚至毫米 波波段，此时的多导体传输线也必须看作分布参数电路。 传输线是约束电磁波沿着规定的方向传输能量和信息的系统乜1 。传输线的结构 主要有平行双导线、同轴线、带状线、和微带线等，它们可用简单的双导线模型 来分析。如果传输线由两根平行的导线组成，每一导线沿线各处具有相同的材料、 相同截面，并且导线周围介质沿线均匀分布，则称之为二线均匀传输线，或简称 均匀线。一般架空输电线及同轴线均可近似地为二线均匀传输线。 传输线的几何长度l 与电磁波的工作波长之比值l 入成为传输线的电长度， 通常把l 入 o 0 5 的传输线成为长线啪1 。对一定长度的传输线( 例如1 米) ，当它 传输较低频率( 例如3 0 0 h z ) 的电磁波时，其电长度为1 0 喝；而传输较高频率( 例 如3 0 0 姗z ) 时，其电长度就为l 。对于前者，线上各点的电压和电流在某一时刻 均可视为相同，它们仅为时间的函数而与位置无关；对于后者( 长线情形) ，线上 各点的电压和电流均随时间而变，因而它们既是时间的函数也是位置的函数。 工作在工频下的高压输电传输线通常属于长线，这时传输线导体上存在损耗 电阻，两导体间介质损耗产生的电导、传输线的自感以及两导线间的电容都将不 重庆大学硕士论文 1 引言 可忽略，这些量沿线分布，因而这些量称为分布参数。传输线的分布参数可用单 位长度传输线上的电路参数来表示，即( 1 ) 单位长度线段上的电阻，其单位为 q m ；( 2 ) 单位长度线段上的电感i j o ，其单位为h m ；( 3 ) 单位长度线段的两导线 间的漏电导g 。，其单位为s m ；( 4 ) 单位长度线段的两导线间的电容c 。，其单位为 f m 。其数值只决定于传输线的结构与尺寸、导线材料和采用的介质材料的参数， 而与它的工作情况无关。 1 2 国内外研究现状 人们对传输线的时域响应的研究已进行了多年，并提出了多种不同的分析方 法【3 3 】【3 8 】。对非均匀传输线，由于传输线本身的分布电参数不是一个常数，而是与 几何位置有关，因此，时域响应的分析是很复杂的，常用的分析方法有微扰法、 散射参数法、等效级联法、辛浦生积分法等。均匀传输线的研究较为成熟，分析 方法也比较多，较为经典的是用时域分析法来求解电报方程并分析行波及均匀线 的传播特性。 在电力系统、微电子、微波等领域见到的大量有关传输线的文献中，多数是 关于传输线的理论分析和数值模拟，很少见到有关传输线的实验研究。从实验的 角度研究二线均匀传输线的传播特性有相当的难度，却又是十分有意义的。大量 的有关输电线路故障定位装置的文献【1 9 】- 【2 7 】为设计均匀传输线实验装置提供了一 定的参考，反过来均匀传输线实验研究对探索高精度输电线路故障定位装置也有 一定的启示。 虽然国内外的输电线路故障定位算法有不少【5 0 l - 【5 3 l ，但总体上现有的故障定位 方法按基本原理可分为两大类f 2 0 】：行波法、阻抗法。阻抗法故障定位采用的是模 拟技术，输电线路发生故障时，测量点的电压、电流量是故障点距离的函数，因 此可通过求解一组或几组电压平衡方程式来求出由装置处到故障点的距离。根据 所利用的电气量阻抗法可以分为单端法和双端法。由于模拟技术的诸多缺陷以及 其测量精度受过渡阻抗和对侧助增电流的影响，定位精度很差，难以满足输电线 路故障定位的要求。行波法是近些年来研究较多的一种方法，它是测量故障产生 的行波到达线路两端的时间差来进行故障点的定位。行波定位的精度高，受系统 运行方式和接地电阻等因素的影响小，但抗干扰性能较差，且对近区故障和电压 过零附近的发生的故障可能存在定位死区。输电线路行波定位的关键是寻找行波 波头到达时刻，国内通常采用软件方法进行查找。该方法需要高速采集系统及复 杂的分析计算，随着各种高速集成芯片和微处理器的不断涌现，预计在最近几年， 各种高精度的故障定位装置将会不断出现【2 0 1 1 2 。 2 重庆大学硕士论文1 引言 1 3 问题的提出及课题研究的重要意义 由于分布参数电路本身存在的各种问题研究具有较大的难度，就均匀传输线 而言，仍然有不少问题值得研究脚卜 4 9 1 。从实验的角度来研究电磁波在有损均匀传 输线上的传播特性，不仅可以观察到计算机仿真中不能观察到的实验现象，而且 也会很自然地为探索高精度的输电线路故障定位装置作一些基础的准备。同时， 随着电力系统规模的不但扩大，输电线路电压等级的提高，输电距离越来越长。 输电线路运行正常与否对电力系统的安全稳定具有举足轻重的作用，一旦发生故 障，必须尽快找到故障点，排除故障，恢复供电1 3 l 】p 2 1 。这一过程所花的时间愈短， 造成的损失就愈少，对系统的安全稳定运行构成的威胁就愈少。但是，高压和超 高压输电线路都较长，且经过各种复杂的地形，要想很快早到故障点，绝非易事p 引。 多年来，国内外许多学者都在致力于线路故障定位装置的研究1 4 0 j - 【4 5 1 ，其重点是如 何提高定位装置的精确度。但目前实用化的定位产品在定位精度和动作可靠性等 方面存在许多问题有待解决，难以满足运行现场高精度故障定位的要求。 为此，我们开发出一套实验装置，用以来研究暂态行波在有损传输线上的传 播特性。同时也利用行波测距的原理，在实验室模拟故障定位，探索高精度故障 定位的有关问题，为最终研制出高精度的输电线路故障定位产品打下理论和实践 基础。从技术实现角度上看，本实验主要实现对正反向行波波头到达时间差的精 确测试和暂态行波波形的测试，包括信号的采集、信号处理及数据传输等，涉及 到电子线路、计算机和高密度复杂可编程逻辑器件( h d c p l d ) 等技术。 信号采集通过高速比较放大器和高速a d 转换器完成。对于高速a d 数据采集 系统，一种途径是采用基于p c i 总线实现对信号的高速、高精度数据采集系统嘲删1 ， 在此方案中由于涉及到p c i 总线的计算机接口板的研究开发，将会提高整个系统成 本；本课题采用的方案，以a l t e r a 公司的e p f i o k 系列可编程逻辑器件为核心完成。 a l t e r a 公司的e p f i o k 系列可编程逻辑器件内部各种资源丰富、集成度高、速度快， 使我们很方便将要实现的功能集成在里面。 在研制过程中，选用了e p f l o k 2 0 r c 2 4 0 3 ，其内部集成了3 0 万门c m o s 门电路， 拥有1 1 5 2 个逻辑单元，6 个嵌入式系统块，最多可达1 8 9 个普通输入输出管脚，逻 辑转换速度可高达2 0 0 m h z 。它使整个系统微型化，易于屏蔽外部电路的各种干扰 和噪声，系统更加稳定和可靠。 1 4 课题研究的主要目的和研究的内容 课题研究的主要目的： 提出切实可行的实验系统的整体方案； 根据所提出的方案，建立整个实验系统硬件平台； 3 重庆人学硕士论文 1 引言 尽可能地提高传输线上信号延迟时间测量的精度： 进行高速数据系统的初步探索，为进一步的研究奠定基础； 在现有的条件下，模拟输电线路故障定位，为研制出市场化的产品作理论 和经验的储备。 课题研究的主要内容： 通过数字示波器观察均匀线上暂态行波的波形： 暂态行波时间延迟测量装置的硬件设计； 暂态行波波形采集装置的硬件设计： 用汇编语言完成单片机相关功能程序的编写及调试； 用v h d l 语言以及原理图输入等方式完成信号处理部分电路的设计； 用v h d l 语言以及原理图输入等方式完成与高速a d 接口的数据采集部 分电路的设计。 4 重庆大学硕士论文2 实验装置的理论依据及工作原理 2 实验装置的理论依据及工作原理 本文所设计的两套实验装置其基本工作原理大致相同，不同之处在于具体实 现方案。本章从均匀传输线的基本理论出发，详细阐述了实验装置的工作原理。 2 1 均匀传输线理论简介 为了研究均匀传输线上各处电压、电流随时间变化的规律和在指定时刻电压、 电流的沿线分布规律，首先需要建立在任意工作状态下均匀线的电压和电流应满 足的方程1 2 1 。由于均匀传输线的各电路参数均匀地分布于传输线的全线上，因而传 输线上的电压和电流不仅是时间t 的函数，而且是空间x 的函数，即 u - - - u ( x ，t ) i = i ( x ，t ) 故传输线的方程将是含有变量t 和x 的偏微分方程。 2 1 1 均匀传输线方程的正弦稳态解 事实上，无论是电力电缆还是信号电缆，总可以把它视为一均匀传输线，利 用图2 。l 所示的电路模型来分析。 图2 1传输线的电路模型 f i g u r e2 1t h ec i r c u i tm o d e lo ft r a n s m i s s i o nl i n e 设均匀传输线的激励源为角频率为m 正弦电压源，当电路达到稳定状态后， 传输线上各处的电压、电流随时间变化的规律均为与激励源同频率的正弦时间函 数，故可用电压相量u 和电流相量，分别表示该正弦电压u ( x ，t ) 和正弦电流i ( x ，t ) ， 即 u ( x ，t ) = i m 2u e l 。 i ( x ，o = i m 2 ，一叭 重庆大学硕士论文 2 实验装置的理论依据及工作原理 应当注意，电压相量【，和电流相量j 仍然是距离x 的函数。 即 杉= d ( x ) i r = l ( x ) 根据图2 1 所示的电路模型可以写出均匀传输线的微分方程： - 罢2 凡i + l o 垦0 t ( 2 - 1 - 1 a ) 一鲁g o 吣瓦0 u ( 2 - 1 - 1 b ) 式中，u 、i 为沿线电压与电流，、l o 、g o 、c o 为电缆原始分布参数( 分布 电阻、分布电感、分布电导、分布电容) 。 微分方程可写为如下的相量方程： 华 ( 2 - 1 - 2 a ) 掣：y o d ( 2 - 1 - 2b ) 式中 z o _ 】r 0 勺( 1 ) l o( 2 - 1 3 a ) yo=go+j(1)co(2-1-3b) 分别为均匀线单位长度线段上的阻抗和单位长度导线间的导钠。式( 2 1 2 ) 所示 相量形式的均匀线方程已不含时间变量t ，从而成为常系数线性常微分方程。 定义y = 1 3 + ja = z o 】，o 为传播常数，则由( 2 1 - 2 ) 可得 坐：，2d d x 2 2 y zu(2-1-4a) 坐：y 2 ， dx2。l(2-1-4b) 二阶常微分方程式( 2 1 - 4 ) 的通解为 u = u ( x ) = ul + e 吖x + ui - e 根 式中ui + 与ul 。为积分常数，应根据边界条件来确定。 ( 2 1 2 a ) 中，可求得电流的通解如下： ，= ，( x ) = ( u i + e 叫x u l e h ) z c 式中 6 ( 2 - 1 5 ) 把u 的通解带入方程式 ( 2 一l 一6 ) 重庆大学硕士论文 2 实验装置的理论依据及工作原理 z c _ 鲁= e i 咖 7 ( 2 d - 7 ) 称为均匀线的特性阻抗或波阻抗，它是一个与均匀线的原始参数及电源频率有关 的复数导出参数。 在电压相量与电流相量的通解中均包含积分常数ut + 与u 。，下面分别根据始端 边界条件与终端边界条件来确定此二积分常数。 ( 1 ) 若已知均匀线始端电压相量为ul ，电流相量为，l 。 确定积分常数，则( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 的解可以表示为： 痧= 丢( 以+ z 。j 1 ) e - y x + 1 1 ( 舀。z cj 1 ) e 7 x = u i c h y x - - 乙i ts h y x( 2 1 8 a ) ，：昙( 拿+ 。) e 舶! ( 堕，。) e 7 x 2 z ， 2 z ， = ，lc h y x - - ( u1s h y x ) z c ( 2 - 2 8 b ) ( 2 ) 若已知均匀线终端电压相量为u2 ，电流相量为，：。 确定积分常数，则( 2 。1 5 ) 和( 2 1 6 ) 的解可以表示为： u = 1 ，( 厶2 + z 。，：) e y x7 + 丢( 舀2 z cj ：) e - 7 x 7 = u 2 c h y x + z c l 2 s h y x 7( 2 一l - 9 a ) ，：三( 堕+ ，：) e y x7 + 三( 堕j ：) e y x 2 z 。 z z 。 = 1 2 c h y x + ( u2 s h y x ) z c ( 2 1 - 9 b ) 式中x = l x ，为线上任一处至终端的距离。 2 1 2 均匀传输线的传播特性 通过对均匀线方程的正弦稳态解进行有关分析后可以知道，传输线上的电压 与电流可看作是由两个反向行进的行波叠加而成的。通常将由电源端向负载端传 播的波看作入射波；由负载端向电源端传播的波看作反射波。反射波与负载阻抗 有密切的关系。 行波的传播特性归结为波的传播速度与波在行进过程中波幅衰减的程度。行 波的传播速度，即相速v f 詈，由电源频率与常数口来确定；而行波的幅值在单位 长度上的衰减，则由常数来确定。因此，由夕与口组成的复数导出参数 ，= 十j 口 7 重庆大学硕士论文2 实验装置的理论依据及工作原理 能反映波的传播特性，这也是它被称为均匀线的传播常数的根据。传播常数的实 部为波的衰竭常数，虚部口为波的相移常数。 在一条传输线上，电压的正向行波、反向行波和电流的正向行波、反向行波 都具有相同的传播常数y ，因而都具有相同的衰减常数和相移常数口，其值决定 于均匀线的原始参数和电源频率。 2 1 3 波的反射 为了分析传输线终端负载对两个电压行波之间的关系和两个电流行波之间的 关系的影响，现将均匀线方程在给定终端边界条件的解( 2 1 9 ) 重书于下 d ：丢( 以+ z 。：) e 厂x7 + 丢( 政z c ，：) e y x 7 = 移+ + d ，；去( 厶：z c + ，：) e 厂x7 + 丢( 厶：! z c j ：) e y x 7 = + ，。 设均匀线终端所接负载阻抗为z 2 ，则 u 2 = z 2 ，2 ( 2 - 1 - 1 0 ) 将( 2 1 1 0 ) 代入均匀线的解中，得 d ：冬( z 2 + z de z x l + 冬( z 2 z c ) e y x7 = d + + d 。( 2 - 1 1 l a ) j = 去( z 2 + z c ) e 7 一去( z 2 - z c ) x 7 。 ( 2 - 1 _ 1 1 b ) 从上式可以看出，如果终端负载阻抗等于均匀线的特性阻抗，即z 2 一z c ，则均 匀线的电压与电流都没有反向行波而只有正向行波存在。这种工作状态称为负载 与传输线相匹配的状态。 反之，在负载与传输线不匹配( z 2 z d 的情况下，传输线的电压与电流都 既有正向行波，又有反向行波。因此可以认为，反向行波的存在是由于正向行波 在传输线终端受到不与线路相匹配的负载的反射而引起的，故反向行波又称为反 射波，正向行波又称为入射波。 由式( 2 1 1 1 ) 可知，在均匀线终端处，电压的反射波向量u2 与入射波向量u 2 + 之比等于该处电流的反射波向量，。与入射波向量，+ 之比，即 堕：互- n ，：丝 ( 2 1 1 2 ) 6 ：i ：1 z 2 + z e 式中n 2 称为终端反射系数。 利用终端反射系数，可以把均匀线上任一处的电压、电流用终端电压、电流 8 重庆大学硕士论文2 实验装置的理论依据及工作原理 的入射波表示出来，即 砂= 圭( 以+ z c ：) ( e 7 x 7 + n 2 e 。7 x 7 ) = 以( e y x i + n 2 e - y x 7 ) j2 三( 芝“) ( e 肛7 n 2 e 舶7 ) = i 2 杪7 蛳 7 ) ( 2 1 - 1 3 b ) 下面根据( 2 1 1 3 ) 式，讨论均匀传输线在终端接不同负载时线上电压、电流 的分布。 1 、对终端匹配的均匀线，n 2 = 0 ，则终端电压、电流的反射波均为零，因而 在传输线上任一处的电压、电流中均不含反向行波分量。即 d = 移+ 一瞬e y x = u 2e 厂x 7 ( 2 1 1 4 a ) ，非矶厂x ，= ：e 厂x ，= t u 2 e 口t ( 2 1 1 4 b ) 工作在这种特殊状态下的传输线称为无反射线。 由( 2 1 1 4 ) 得 旦：堕= z c 2 - 1 1 5 ) l 1 2 上式表明，从无反射线上任意一处向线路终端看去的等效阻抗等于传输线的特性 阻抗。 2 、当终端开路时，1 2 = 0 , n 2 = 1 代入( 2 1 - 1 3 ) 得 d = u ，- i - ( e y x 。+ e 。y x 。)( 2 1 1 6 a ) j = j 2 + ( e v x e y x 。) ( 2 1 1 6 b ) 终端电流为零，约在x = 2 4 处电流达到最大，在约经2 4 ，在五2 处达最小，而 且每隔约名4 ，电流的最大值与最小值交替地出现；终端处的电压为最大，在约2 4 处为最小，而且也是每隔约名4 ，电压的最大值与最小值交替的出现。 3 、 当终端短路时，u 2 = 0 , n 2 = 1 代入( 2 - 1 - 1 3 ) 得 d = u ( e y x e 7 x )( 2 1 1 7 a ) ，= 2 + ( e y x 。+ c 。厂x 。) ( 2 1 1 7 b ) 终端电压为零，约在x = 2 4 处电压达到最大，在约经五4 ，在2 2 处达最小，而 且每隔约名4 ，电压的最大值与最小值交替地出现；终端处的电压流为最大，在 约2 4 处为最小，而且也是每隔约2 4 ，电流的最大值与最小值交替的出现。 4 、 传输线终端接阻抗z l 时，犍j ：n 2 - 乏了差代入( 2 - 1 - 1 3 ) 得 9 重庆大学硕士论文 2 实验装置的理论依据及工作原理 d = 以c h y x z c j r 2s h r x 7 ( 2 1 1 8 a ) ：芝里+ 2c h 厂) ( ， ( 2 - 1 1 9 b ) z 、 它的工作状态可由相应的终端开路时的状态和短路时的状态叠加得到。 2 2 实验方案设计 2 2 1 实验总体方案 通过前面的分析我们知道，当终端负载阻抗z 2 不匹配时，传输线的电压与电 流既有正向行波，又有反向行波( 如图2 2 所示) 。 u - j 丁 一 l jl 吣l + n 2 ) 嗨 x 1r 1r l j -l i 7 0 2 l - 啡。i r r l 卜l ( a ) z a z c j u jl 止土 u 1r 0 j _l l 十 7 1 2 t - v z t 7 文1 阢i ) 一l u ji 一 j l l 2 u i r 1r l r 0 1_一 r x 2 l - v 吼 卜l呻 ( b ) z 2 - o o u ll l i 一 v m r o。 ， 丑v “ 卜l ( c ) z 2 z c( 由z 0 图2 2 在不同负载下无损耗线上的电压分布 f i g u r e2 2 t h ev o l t a g eo nl o s s l e s sl i n eu n d e rd i f f e r e n tl o a d 1 0 重庆大学硕士论文 2 实验装置的理论依据厦工作原理 在图2 2 中显示了高度为吨的矩形波于t = 0 时从无损耗线始端发出入射波投 射到终端后产生反射波以及沿线电压分布，并绘出在以下几种情况下当 f v w t z d c o ) z f ，( c ) z 2 00 5 ) 。由于各种信号电缆 的研究方法大致相同，因而在实验中主要以电话线构成的传输线为研究对象。在 图2 2 中用浅色表示的终端负载z 2 ，短路时为零，开路时为无穷大；下面的黑色 表示示波器或研制的专门测试装置，各种测试方式可以在传输线的始端和终端进 行观察，图中只表示了在始端测试的情况。专门测试装置的研究是本文的主要研 究任务，包括：信号延迟时问的精确测量装置：信号波形采集装置。 222 有损均匀传输线上的电压波形 我们通过数字示波器对三种不同的电缆构成的有损传输线上的电压波形进行 了对比观察。 在传输线接通激励源( 实验中的激励源为几十k h z 高额矩形波) 后，电压行波与 电流行波向终端推进。当发射波传播至线路终端时，就会产生反射，反射波所到 之处的电压、电流由入射波与反射波叠加而成。图2 4 、2 5 、2 6 分别显示了通过 重庆太学硕士论文 2 实验装置的理论依据及工作原理 i 二! ! 。i 、 l 厂一、一 l b _ l ，： 降谧豁# l 爨悯裙满貔豫鏊霪强鞴翮翘鳓1 f a l 始端终端电压波形对比 l f i l l ；一黝赛鞫鹜袅黥聪翳罄鍪i 鞠剃g 龋湖 l i u i 广 、 l i 厂 一u l ：器燎醺l 鹳麟疆窦黪麟1 8 i 瑟藤l ( c ) 终端短路始端电压波形 圈2 红线电压波形 f i g u r e2 4 t h e w a v e f o r m o f v o l t a g e0 9r e d l i n e 重庆大学硕士论文 2 窭验装置的理论依据及工作原理 ( 幻电话线( 两跟绕圈) m 电话线( 单根绕圈) 酗2 5 电话线电压波形 f i g u r e 2 5 t h e w a v e f o r mo f v o r a g e o dc a b l e o f t c l c p h o n e 示波器在三种不同的传输线的始端和终端观察到的电压波形。图25 中( a ) 和( b ) 两种情况下的电压波形因传输线( 实验中的红线) 的空间分布形态不同而有细微 的差别，这说明传输线的空间分布形态对沿线电压的分布也有影响，但两种情况 下的信号延时x 完全相同，这是因为两种情况下构成传输线的材料并没有发生变 重庆大学硕士论文 2 实验装置的理论依据及 = 作原理 图2 64 芯电缆电压波形 f i g r e2 6t h e w a v e f o r m o f v o l t a g e o 1c a b l e w i l h 南町c o r e s 化传播常数必然也相同。通过比较图2 4 、25 、2 6 可知，由于构成不同的传输 线材料不同，传播常数也不同，电磁波的传播速度及信号的衰减当然也不会一样， 因而在图中显示延迟时问不同。在工程中影响信号在传输线上传播的主要因素口5 1 有： 1 ) 信号的频率 均匀传输线可以看作若干个四端网络( 如图21 ) 连接而成的链型电路。均匀 传输线的传播常数，= 卢+ j 口= z o + r o = ( 胄o + j o j l o x 6 0 + ，矗) ，其中卢为 波的衰减常数，是传输线分布参数和频率的复杂函数，当分布参数均匀时随频率 的增大而增大，即随着频率的增高而传输线上衰耗增大。正是因为如此，在工程 上常用放大器或继电器或中继站来补偿线路对信号的衰减。 同时，当频率增大时，传输线上行波的传播速度也会变快，这样信号的延迟 时间就会变小。 2 ) 温度 传输线常常架空或依附于建筑物壁或埋于地下，环境温度的变化对传输线的 衰减有很大影响。这是因为温度的升高使传输线的直流电阻增大、介质损耗增大， 从而传输线的衰减增大。传输线的损耗与温度的变化成比例( 一般的电缆的温度 系数为+ 02 f c ) ，温度越高电缆损耗越大，而且在所有的频率上，它的衰碱都 是相同的。值的注意的是，温度的变化对传输线的电长度也有影响。据估算：以 2 3 c 为参考，温度每变化1 0 c ，使电长度变化o2 左右。 3 ) 湿度 重庆大学硕士论文2 实验装置的理论依据及工作原理 由于电缆内部的湿气使电缆的介电常数占，发生变化，而引起电缆的分布电容 发生变化，而电缆的分布电感没有变化，从下面的关系式可以清楚的看到： 分布电容：c 1 = 2 ；, r 倒a ) ( f ，m ) ；分布电感：l l = 冬l a b ( h m ) ；特性阻抗： z o 悟。 这样，传输系统原来匹配的截面出现了失配，就会有一部分功率不能沿传输 线继续传输下去，失配程度越大，入射功率被反射回去的功率也越大。 当然大气的污染程度、地理环境等因素也会对传输线上信号或能量的传播产 生影响，但本质上应该是这些因素引起构成传输线的材料和传输线周围的介质发 生了一些量的变化。由此可见在工程上确定传输线上电磁波的传播速度有较大的 现实意义。 重庆大学硕士论文3 信号延迟时间测鼍实验装置的设计与实现 3 信号延迟时间测量实验装置的设计与实现 本章主要阐述了信号延迟时间测量装置的具体实现方案，并进行了详细的分 析和蜕明。 31 信号延迟时间测量实验装置原理及结构 311 实验装置原理 信号延迟时问的精确测量装置主要是为了精确地擐4 试延迟时间。当始端输入 信号为占空比很小的周期矩形波时图3l 是在传输线终端开路的情况下，用数字 示波器在传输线的始端和终端观察到的波形。图3l ( a ) 为以始端作为测试点观测到 的波形的整体显示，图3l ( b ) 为对应于一个矩形脉冲的在始、终端观察的经过放大后 波形。在图3l ( b ) 中上面为以始端为测试点观察到的波形，f 面为终端为测试 点观察到的波形。在图3l ( b ) 中有三条垂直虚线x i 、x 2 、x 3 夸 xj = x 2 一x l ， x 2 = x 3 一x l ， 其中x 。反映信号从始端传播到终端的时间，x 。反映信号从始端传播到终端再从 终端反射回始端的时间则有 ax2 = 2 x 因而要测试信号从始端传播到终端的延迟时间，在始端和终端钡4 试均可以实现。 假设传输线的长度为l ，信号在传输线上的传播速度为v ，则有 l f f i x v ( 3 一l 1 ) 重庆大学硕士论文 3 信号延迟时间测量实验装置的设计与实现 图3 l示波器观察到的波形 f i g u r e31 t h eo b s c r v e dw a v e b y o s c i l l o g r a p h 若已知信号在传输线上的传播速度为v ，通过测试得到ax - ，便可以通过 ( 31 1 ) 计算得到传输线的长度l ：若己知传输线的长度l ，通过测试得6x 代 入( 3 1 1 ) 也可得到信号在传输线上的传播速度为v 。在工程中般先人为地设 定一故障点，测试信号延迟时问，然后通过( 3 1 1 ) 确定信号传播速度。 312 实验装置结构 信号延迟时白j 精确测量装置是为了测试图3i ( b ) 中的ax l 或ax 2 ，其工作原理 框图如图32 所示。整个装置由比较放大单元、信号处理单元、微处理单元和显 一_ 田_ 曰_ 圈 怪i3 2 时间测试装置原理框图 f i g u r e3 2 t h eb l o c kd i a g r a mo f d e v i c e o n m e a s u r i n g l i m e 示单元四部分组成。该装置先将图31 ( ”中所示的延迟时闻通过比较放大器转换为 数字信号，然后送给可编程逻辑器件进行信号处理，接着由微处理器来计算和控 重庆大学硕士论文3 信号延迟时间测量实验装置的设计与实现 制，最后由显示单元将结果显示出来。 3 2 比较放大单元 比较放大单元的作用是对输入的电压进行比较【3 】，并根据比较结果输出高、低 两个电平的电压，以满足后面连接的数字电路对1 和0 两个逻辑电平的要求，主要 由比较放大器完成。 根据电压比较器的外围电路接法不刚4 】，常见有三种基本类型：单限比较器、 迟滞比较器和窗口比较器。电压比较器常应用在越限报警电路、波形发生电路、 波形变换电路及模数转换电路中。随着半导体和电子技术的迅猛发展，集成电压 比较器广泛用作大规模集成电路中的子模块，同时，各种专门用作电压比较器的 集成器件也大量问世，这种集成器件除了具有高精度性能外，还往往以传输时延 小作为其主要的性能指标。 本实验装置中的比较放大单元是以集成电压比较放大器m a x 9 6 8 6 及其外围 电路构成。m a x 9 6 8 6 是一种高速的8 管脚集成电压比较器，它与l t l 0 1 6 和a m 6 8 6 的管脚完全兼容，却比这些器件具有更优的性能。m a x 9 6 8 6 输出电压与t r l 电平 完全兼容，传输时延仅6 n s ，5 v 电源供电，可用于商业和军需产品。当其正常工 作时，应使其使能端( 8 脚) 接低电平。 比较放大部分的具体实现电路是由两个m a x 9 6 8 6 及其外围电路组成，两个比 较器的电路原理图相同，如图3 3 所示。参考电压v r 由+ 5 v 的电源经可调电位器 5 、 r _ 一d 一nd6 nd 、 h 一 j n 口h 。_ ，融 m t 蕴 、 h 、，v o m r 1 - h _ 、 7 1 i = n p a t 3， 一， - 9 4l m ji x !，6 s1 8 r 厂寸 。 d 3 、_ _ 套 1 轿 窜 图3 3 比较器的电路原理图 f i g u r e3 3s c h e m a t i co fc o m p a r a t o r r 4 分压得到，经电阻r 2 加在比较器的同相输入端，反相输入端接待比较电压信 号v i n ( i n p u t ) 。二极管d 3 、d 4 并接在伺相输入端和反相输入端之间，当两输入端 的电位差大于o 7 v 时，其中有一二极管导通，从而将两个输入端的电位钳位在o 7 v 起到保护比较放大器的作用。将比较器的输出电压通过由r 6 和i 毪构成的反馈网 1 8 重庆大学硕士论文 3 信号延迟时间测量实验装置的设计与实现 络加到同相输入端，通常将这种电路称为迟滞比较器。在理想情况下，它的比较 特性如图3 4 所示。由图可见，它有两个门限电压，分别称为上门限电压v m 和下 门限电压v i l ，两者的差值称为门限宽度。即 v=v珊一v几(3-2-1) 假设比较输出高电平v o h ，则v o h 和参考电压v r 共同加到比较放大器的同相 输入端的合成电压为 忙熹 彘v r ( 3 - 2 - 2 ， 当v i n 由小增大地通过v l 时，输出电压由v o h 下跃到v o l 。可见，( 3 - 2 2 ) 式所示的v l 就是比较器的上门限电压，即v i h = v 1 。 当比较器的输出为低电平v o l 时，按同样的分析得到同相输入端的合成电 压为 j i 。 l 7 v o h , j r 经 口缅 v o l 1rlj r1 ：a v： q 卜叫 图3 4 比较特性 f i g u r e3 4 c h a r a c t e r i s t i c so f c o m p a r a t o r 2 彘v o 一彘v r 当v i n 由大减小地通过v 2 时，则v o 由v o l 上跃到v o h 。可见， 示的v 2 就是比较器的下门限电压，即v 儿= v 2 。相应的迟滞宽度为 a v = v m 。瓦 i o n 。v o l ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 3 ) 式所 ( 3 2 4 ) 调节r 2 和，就可以改变迟滞宽度a v 。在实际应用中，利用迟滞特性可以有效 1 9 重庆大学硕士论文3 信号延迟时间测量实验装置的设计与实现 地克服噪声和微扰的影响。 在测量装置中，分别将两个比较器的参考电压v r 通过各自的电位器调为v a 和v b ，v a 和v b 分别为图3 5 ( a ) 中垂直虚线x 1 和x 3 与电压信号波形的交点a 和b 所对应的电压。图3 5 ( a ) 为终端开路时在传输线的始端观测的波形，ax - - x 3 x l 即 为延迟时间，前面已作阐述。两个比较放大器因参考电压不同而在不同的时间进 行跳变，